机器鱼：浩渺水域任我游

马文凯　梁建宏

2004年8月，一条难辨真伪、通体黝黑的机器鱼吸引了媒体和公众的目光。在由中国国家博物馆水下考古研究中心主持的郑成功船队沉船遗址探测中，由北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化研究所共同研发的SPC-Ⅱ型机器鱼巡游于福建东山的海波之下，帮助科研人员对约4000平方米的水域进行了摄像考察。这是仿生学、机器人学、考古学、海洋学等多学科交叉融合的结晶，同时也是我国仿生机器人的首次应用尝试。

是鱼，更是机器人

任何一条鱼或海豚都不掌握简单的数学推理，更不用说解读复杂的流体力学公式，但是它们比任何现代舰船更能驾驭大海和江河。这就是自然界进化的力量，来自于自然界千万年感性的沉积。

海豚可轻易地以20节的速度跟在船只之后；黄鳍鲔鱼的速度可达40节以上；梭子鱼更可以用20倍于重力加速度的加速度起步来掠取猎物。同时，鱼类可迅速地以只有身长10%～30%的距离为转弯半径来变换行进方向。相对之下，一般航行船只通常须以10倍船长的半径缓慢地回转。

因此，科研人员们积极地向大自然学习，研究鱼类的结构和性质，并试图在技术方面模仿鱼类在自然中的功能。根据鱼类的运动特征，把它们的游动模式分为四大类：鳗鲡目身体波动模式、

科加新月形尾鳍模式、胸鳍摆动模式和波动式模式。通过对鱼类不同运动模式的模仿，研制出了各式各样的机器鱼。

利用鱼类的游动推进机理，通过机械、电子结构或功能材料（形状记忆合金、人造肌肉等）来模拟鱼类的游动推进动作，从而实现水下运动的推进装置就是仿鱼水下推进器，即机器鱼，又称鱼形机器人。

前面提到的SPC-Ⅱ型机器鱼体长1.23米，总重40公斤，最大下潜深度为5米，体表是玻璃钢和纤维板的复合材料，强度大、重量轻。它由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台三部分组成。只要将指令通过无线电信号传给机器鱼中的计算机，计算机就可以按指令控制机器鱼做出动作。SPC-Ⅱ型机器鱼还装有卫星定位系统，如果启动系统，它就可以自行按设定航线行进。

在结构设计上，SPC-Ⅱ型机器鱼采用整体流线型设计，降低了阻力；采用翼身融合的刚体结构，大大增加了有效载荷空间。它的平均航速可达到每小时4公里左右，最大速度能达到每秒1.5米。它使用镍氢电池，能在水下连续工作两三个小时，以平均航速计算，能够持续游约10公里。

SPC-Ⅱ型机器鱼的推进方式为科加新月形尾鳍模式推进。在这种模式中，超过90%的推进力通过具有一定刚度的尾鳍的运动产生，而身体的前三分之二部分都保持刚性。船舶、普通潜艇采用传统的螺旋桨来推进，与之相比，机器鱼依靠尾部躯体和尾鳍的有规律摆动来前进，推进时非常安静，噪音水平比螺旋桨低得多；灵活性亦非螺旋桨所能比拟，它依靠身体和尾鳍，可以迅速原地回转。机器鱼的上浮和下潜通过在行进中改变胸鳍的迎角实现，响应的速度较快。

水下考古显身手

我国300万平方公里的水域下，埋藏着十分丰富的文物资源。现阶段，我国的水下考古在国际上已占有一席之地，但与国际先进水平相比尚存一定差距。

当前的水下考古一般是由考古人员亲自进行潜水作业。但是由于受到人体生理条件的限制，常规潜水深度只能达到60米～70米，而且人在水下处于失重状态，活动不便、体力消耗大、作业时间短，出水又需长时间减压，所以工作效率很低。早期的水下考古作业也因此变得困难重重，深水考古更是望洋兴叹。随着我国水下考古事业的兴起，对装备的要求不断升级，水下机器人也逐渐参与到考古中来。

在2004年8月11日至12日，SPC-Ⅱ型仿生机器鱼对郑成功古战舰遗址进行的水下考古探测的工作时间累计达到约6小时。这是我国考古工作者首次利用机器人辅助水下考古工作。

在探测中，SPC-II型机器鱼时而在海面上穿浪前进，时而快速潜入深水中，及时将它在水下看到的景象通过无线图像信号系统传送至水面指挥部。

在岸上，通过一个控制台，技术人员把诸如前进、转弯、上浮、下潜的指令传到机器鱼体内的计算机中，计算机按指令控制机器鱼做出相应的动作。在技术人员的操纵下，机器鱼利用原地回转灵活的特性，多次快速接近重点目标，对目标进行拍摄录像，为下一步的考察挖掘工作提供了有用的信息。考古队的负责人认为，SPC-II型机器鱼在水下机动灵活，定位迅速，对考察探测能起到辅助作用。如果进一步改进机器鱼，在下潜深度和垂直机动性方面达到实用，可以代替潜水员在更深的水域长时间地进行观测，从而提高工作效率，降低潜水员的风险。

仿生机器鱼家族

人类有关鱼类游动机理的现代研究始于20世纪30年代，而这方面的研究取得迅速进展是在过去的十五年，有关仿鱼推进机理的大量研究则开始于90年代中后期。

在国外，美国麻省理工学院海洋工程实验室、伍兹霍尔海洋研究所和纽约大学联合组成研究小组正在开展有关鱼类仿生推进机理的研究。从1994年至1999年，以Triantafyllou M.S.为首的研究小组先后设计研究了1.2米长的机器金枪鱼和0.8米长的机器狗鱼；日本东京大学开展了仿生先进推进机理的研究；美国宾夕法尼亚大学的Lamrence C.R.正在进行关于鱼体肌肉消耗动力的研究；美国密执安大学的Paul W.W.开展了对鱼体游动稳定性的研究；加拿大不列颠哥伦比亚大学的Richard W.B.开展了狗鱼类快速启动性能的测定试验研究；日本N.Kato研究小组研究了鲈鱼胸鳍的运动机理；日本三菱公司也组织开展了鱼类仿生机器人技术开发，实现了使长60厘米、重6磅的机器鱼的速度达到每秒0.25米。

在国内，哈尔滨工程大学和北京航空航天大学机器人研究所在这方面的研究走在了前面。

哈尔滨工程大学曾开展仿生机器章鱼研究，其主要目的是用于辅助打捞沉船。他们还在水下无人探测器仿生推进与操纵技术方面进行研究，研制了仿生金枪鱼，即微小型水下无人探测器原理样机——“仿生-Ⅰ”，该样机长2.4米，最大直径0.62米，排水量320公斤，潜深10米，负载能力70公斤。该样机具有可摆动的尾鳍和一对攻角可调的胸鳍，体内安装两台伺服电机，分别驱动尾鳍和胸鳍，可完成直航、回转和改变下潜深度等动作，最高航速已达每秒1.3米。2003年11月在海上进行了“仿生-Ⅰ”的航行试验。

SPC-Ⅱ型机器鱼的性能虽然在实践中得到了肯定，但也暴露了很多不足。为了更好地为水下考古服务，并为将来更复杂的工程应用奠定基础，正在研制中的新一代机器鱼将增加水下定位系统，改善垂直面内的机动性，配置高性能的任务设备， 提高下潜深度， 优化局部自主能力等等。经过进一步完善后，机器鱼还可用于探查狭窄水道、测绘海底地形地貌，进行水中养殖和捕捞，并作为水下微小型运载工具，在抢险搜救等工作中发挥重要作用。如果仿生机器鱼的技术完全成熟，未来的潜水艇就可以摆脱螺旋桨推进的方式，以更接近于鱼类的方式在水下运动。

【责任编辑】唐宇